DE102006052109A1 - Fluid storage with thermal management - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidspeicher, insbesondere einen Fluidspeicher mit einem Sorptionsmedium. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vorrichtung zur Temperierung des Fluidspeichers vorgesehen ist.The present invention relates to a fluid reservoir, in particular a fluid reservoir with a sorption medium. This is characterized in that a device for controlling the temperature of the fluid reservoir is provided.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidspeicher mit einem Sorptionsmedium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The present invention relates to a fluid reservoir with a sorption medium according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Zur Speicherung von Fluiden, insbesondere von gasförmigen Kraftstoffen für den Betrieb von Kraftfahrzeugen ist die Verwendung von Sorptionsspeichern, z.B. auf der Basis von Metallhydriden, Zeolithen oder Metallorganic-Frame Works (MOF) bekannt. Bei der Befüllung des Tanks wird die sogenannte Bindungsenergie als Wärme frei und muss abgeführt werden. Durch die damit einhergehende Erwärmung des Tanks nimmt dessen Speicherkapazität ab und kann demnach nicht mehr voll genutzt werden.to Storage of fluids, especially gaseous fuels for operation For motor vehicles, the use of sorption reservoirs, e.g. based on metal hydrides, zeolites or metalorganic frame Works (MOF) known. When filling of the tank, the so-called binding energy is released as heat and has to be removed become. Due to the associated warming of the tank takes its memory and can therefore no longer be fully used.
Andererseits ist bei der Entnahme des Gases aus dem Tank aufgrund des Desorptionsvorgangs eine Abkühlung des Speichers zu verzeichnen, die wiederum eine Entnahme des Gases aus dem Speicher negativ beeinflusst. Grund dafür ist eine erforderliche Mindesttemperatur für einen ungestörten Desorptionsprozess, der bei Unterschreiten dieser Temperatur durch erschwertes bis verunmöglichtes Löseverhalten des Gases deutlich gestört wird, so dass eine ausreichende Gasversorgung des Verbrauchers durch diesen Gastank zumindest gefährdet wenn nicht sogar unmöglich ist.on the other hand is at the removal of the gas from the tank due to the desorption process a cool down of the memory, in turn, a removal of the gas out of memory adversely affected. The reason for this is a required minimum temperature for one undisturbed Desorption process, which falls below this temperature by difficult to impossible dissolution behavior the gas is significantly disturbed, so that a sufficient gas supply to the consumer through this Gas tank at least at risk if not impossible is.
Aufgabe und Vorteile der vorliegenden ErfindungTask and advantages of the present invention
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Fluidspeicher entsprechend der eingangs dargelegten Art zu verbessern.Of the The present invention is therefore based on the object of a fluid storage to improve according to the kind set forth.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.The solution This object is achieved by the features of claim 1. In the Subclaims are indicated advantageous and expedient developments.
Demnach betrifft die vorliegende Erfindung einen Fluidspeicher mit einem Sorptionsmedium. Dieser Fluidspeicher zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vorrichtung zur Temperierung des Fluidspeichers vorgesehen ist. Diese kann bevorzugt eine Kontrolleinheit für die Temperatur und/oder den Druck im Fluidspeicher umfassen, welche in Kombination mit entsprechend geeigneten Mitteln, sowohl für die Überwachung als auch für eine Einflussnahme auf die im Tank vorherrschende Temperatur bzw. auf den im Tank vorherrschenden Druck bestimmt ist. Besonders bevorzugt kann hierzu ein Regelkreis vorgesehen werden, welcher die zu beeinflussenden Parameter kontrolliert.Therefore The present invention relates to a fluid reservoir with a Sorbent. This fluid storage is characterized by a device is provided for controlling the temperature of the fluid reservoir is. This may preferably be a control unit for the temperature and / or the pressure in the fluid reservoir, which in combination with accordingly appropriate means, both for The supervision as well as for an influence on the temperature prevailing in the tank or is determined to the pressure prevailing in the tank. Especially preferred For this purpose, a control loop can be provided, which controls the parameters to be influenced controlled.
Durch eine geeignete Einregelung der im Tank vorherrschenden Temperatur bzw. des im Tank vorherrschenden Druckes ist eine deutliche Erhöhung der Energiedichte beim Betanken durch die damit erzielbare größere Speicherdichte und somit eine bezogen auf die verbrauchte Gasmenge längere Versorgung eines daran angeschlossenen Verbrauchers möglich.By a suitable adjustment of the temperature prevailing in the tank or the pressure prevailing in the tank is a significant increase in Energy density during refueling through the achievable greater storage density and thus a longer supply based on the amount of gas consumed a connected consumer possible.
Neben der Erhöhung des Füllgrades eines solchen Fluidspeichers wirkt sich zusätzlich die mit der erfindungsgemäßen Temperaturkontrolle einhergehende, verbesserte Speicherentleerung positiv auf die Versorgung des Gasverbrauchers durch die dadurch zusätzlich nutzbare Gasmenge positiv aus. Denn durch gezielte Temperaturanhebung während des Desorptionsvorgangs wird eine vergleichsweise tiefere Tankentleerung ermöglicht.Next the increase the degree of filling Such a fluid reservoir additionally has the effect of the temperature control according to the invention associated, improved storage emptying positive on the supply the gas consumer by the additionally usable amount of gas positive out. Because by targeted temperature increase during the desorption process a comparatively deeper tank emptying is possible.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Kontrolleinheit im Weiteren ein Modul zur bedarfsvoreilenden Steuerung der Temperatur- und/oder des Drucks im Fluidspeicher umfassen. So könnte beispielsweise aufgrund einer relativ niedrigen Speicherbefüllung eine Betankungsabfrage gestartet werden, die bei positiver Signalisierung eine Vorkühlung des Tankes zur Erhöhung seiner Speicherkapazität veranlasst. Ein solcher Abkühlvorgang kann beispielsweise auch gestuft erfolgen. Hierzu kann in einem ersten Schritt z.B. eine Annäherung an eine für den aktuellen Betriebszustand des an den Tank angeschlossenen Verbrauchers gerade noch ausreichende Mindesttemperatur für eine störungsfreie Gasentnahme eingestellt werden. Diese im Tank vorherrschende Temperatur kann dann beim Starten des Betankungsvorgangs zusätzlich noch reduziert werden, um dem bei der Betankung entstehenden Wärmeeintrag möglichst effektiv entgegen wirken zu können.In a particularly preferred embodiment the control unit may further include a demand-response module Control the temperature and / or pressure in the fluid reservoir include. So could for example, due to a relatively low memory filling a Refueling query are started, the positive signaling a Pre-cooling tank to increase its storage capacity causes. Such a cooling process For example, it can also be stepped. This can be done in one first step e.g. an approach to one for the current operating status of the consumer connected to the tank just set a sufficient minimum temperature for a trouble-free gas extraction become. This temperature prevailing in the tank can then start the refueling process in addition can still be reduced to the resulting during refueling heat input preferably to counteract effectively.
Eine mögliche Maßnahme zur Temperaturreduzierung wäre beispielsweise deren Herabsetzung durch geeignete Mittel, z.B. durch einen Wärmetauscher oder dergleichen. Aber auch die Herabsetzung des im Tank vorherrschenden Druckes ist denkbar, so dass das darin befindliche Gas durch Entspannung entsprechend abkühlen kann. Um für verschiedene Betriebszustände des Tanks bzw. auch des daran angeschlossenen Verbraucher eine optimale Kontrolle bereit stellen zu können, kann die Kontrolleinheit im Weiteren einen Wertespeicher umfassen, in dem bestimmten Druckwerten des Fluidspeichers bestimmte Temperaturwerte des Fluidspeichers zugeordnet werden, bzw. umgekehrt.A possible measure for temperature reduction would be for example, their reduction by suitable means, e.g. by a heat exchanger or similar. But also the reduction of the prevailing in the tank Pressure is conceivable, so that the gas contained therein by relaxation cool down accordingly can. Order for different operating states the tank or the connected consumer optimal control to be able to provide the control unit may further comprise a value memory, in certain temperature values for the specific pressure values of the fluid reservoir be assigned to the fluid reservoir, or vice versa.
Damit ist es jederzeit möglich, den Tank mit für den jeweiligen Prozess – Gasentnahme bzw. Gaszufuhr – entsprechend der darin vorherrschenden Temperatur optimal angepassten Druck zu beaufschlagen. Bei der Gasentnahme, also bei der Versorgung des Verbrauchers, kann hierbei eine höhere Druckbeaufschlagung und eine damit einhergehende Erhöhung der Temperatur im Tank wünschenswert sein. Für eine derartige Beeinflussung des Speichers ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Kontrolleinheit einen Wertespeicher umfasst, in dem bestimmten Füllgraden des Fluidspeichers bestimmte Druckwerte und/oder bestimmte Temperaturwerte des Fluidspeichers zugeordnet werden, bzw. umgekehrt. Dadurch ist eine optimale Abstimmung des Regelkreises für die Einregelung der Temperatur bzw. für den Druck im Fluidspeicher entsprechend des jeweiligen Befüllungszustandes möglich. Dadurch kann ein optimales Temperatur-Druckverhältnis für die Desorption des Gases aus dem Sorptionsmedium erreicht werden, bzw. im anderen Fall für die Vorbereitung eines Sorptionsvorganges bei einer bevorstehenden Betankung.This makes it possible at any time to pressurize the tank with the pressure optimally adapted for the respective process - gas extraction or gas supply - in accordance with the prevailing temperature therein. In the case of gas extraction, ie in the supply of the consumer, this can be a higher Pressurization and concomitant increase in temperature in the tank should be desirable. For such an influencing of the memory, it is furthermore advantageous if the control unit comprises a value memory in which specific pressure values and / or specific temperature values of the fluid reservoir are assigned to specific fill levels of the fluid reservoir, or vice versa. As a result, an optimal tuning of the control loop for adjusting the temperature or for the pressure in the fluid reservoir according to the respective filling state is possible. As a result, an optimum temperature-pressure ratio for the desorption of the gas from the sorption medium can be achieved, or in the other case for the preparation of a sorption process in the event of an imminent refueling.
Eine weitere Möglichkeit zur positiven Beeinflussung der Speicherkapazität des Tanks besteht in der Abkühlung des Gases vor dem Einströmen in den Tank. Hierzu kann bevorzugt eine Ankopplung an eine Wärmeaufnahme- und/oder Abgabevorrichtung vorgesehen sein. Eine solche Wärmeaufnahme- und/oder Abgabevorrichtung kann z.B. ein Wärmetauscher sein, der in einer Gaszuführleitung zum Tank angeordnet ist.A another possibility to positively influence the storage capacity of the tank consists in the Cooling of the gas before flowing in the tank. For this purpose, preferably a coupling to a heat absorption and / or dispensing device may be provided. Such heat absorption and / or Dispensing device may e.g. be a heat exchanger in one gas supply is arranged to the tank.
Aber auch im Tank ist eine Anordnung eines solchen Wärmetauschers im Hinblick auf eine effektive Einflussnahme auf die im Inneren des Tanks vorherrschende Temperatur von großem Vorteil. Durch die Kombination zweier solcher Wärmetauscher ist eine noch weitere Optimierung hinsichtlich eines Thermomanagements für einen solchen Fluidspeicher möglich.But Also in the tank is an arrangement of such a heat exchanger in terms of an effective influence on the prevailing inside the tank Temperature of large Advantage. By combining two such heat exchangers is still another Optimization in terms of thermal management for one such fluid storage possible.
Um die so aus dem Tank bzw. aus der Gaszuführleitung entzogene Wärme sinnvoll und effektiv abzunehmen und zwischenspeichern zu können, kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Anschluss zu einem Heiz- und/oder Kühlkreislauf vorgesehen sein, der dann z.B. als Zwischenpuffer für diese Energie dienen kann. Nach Abschluss des Tankvorgangs kann diese Energie dann zum Widerauslösen des im Sorptionsmedium gespeicherten Gases dem Sorptionsspeicher wieder zugeführt werden, um die darin vorherrschende Temperatur zumindest so weit anzuheben, dass eine für den jeweiligen Betriebszustand des daran angeschlossenen Verbrauchers ausreichende Desorption des Gases aus dem Speichermaterial gewährleistet werden kann. Damit steht eine weitere Einflussmöglichkeit der Temperatur im Inneren des Tanks durch Entzug bzw. Wiederzufuhr freigesetzter bzw. wieder benötigter Energie mittels dieses Wärmekreislaufs zur Verfügung.Around the heat thus extracted from the tank or from the gas supply line makes sense and be able to effectively lose weight and cache in a preferred embodiment a connection to a heating and / or cooling circuit be provided then e.g. can serve as an intermediate buffer for this energy. After completion of the refueling process, this energy can then be used to trigger the stored in the sorbent gas the Sorptionsspeicher again supplied at least as far as the prevailing temperature raise that one for the respective operating status of the connected consumer ensures adequate desorption of the gas from the storage material can be. This is another influence of the temperature in the Inside the tank by withdrawal or re-release released or needed again Energy by means of this heat cycle to disposal.
Der Heiz- und/oder Kühlkreislauf kann beispielsweise der eines thermischen und/oder mechanischen Energiewandlers, z.B. in der Form eines Gasmotors, einer Turbine, einer Heizanlage oder dergleichen mehr sein. Der Einsatzbereich des Fluidspeichers kann sowohl mobil als auch stationär sein. Ein mobiler Anwendungsfall wäre z.B. die Implementierung des Speichers in ein Fahrzeug. Ein stationärer Anwendungsfall könnte beispielsweise die Versorgung einer autonomen Anlage sein, die über die oben angeführten Vorrichtungen verfügt.Of the Heating and / or cooling circuit For example, a thermal and / or mechanical Energy converter, e.g. in the form of a gas engine, a turbine, a heating system or the like more. The application area The fluid reservoir can be both mobile and stationary. One mobile application would be e.g. the implementation of the memory in a vehicle. A stationary application could For example, the supply of an autonomous plant, which is above the above cited Devices has.
Eine weitere Optimierung dieses Thermomanagements eines Fluidspeichers ist z.B. durch eine wärmeübertragende Verbindung des Heiz- und/oder Kühlkreislaufes mit einer Abgasleitung eines solchen thermischen und/oder mechanischen Energiewandlers möglich. Hierdurch kann die bei der Verbrennung des Gases entstehende Abwärme ebenfalls für die Beheizung des Fluidspeichers herangezogen werden, welcher durch den Desorptionsvorgang aufgrund des Gasentzugs aus dem Sorptionsmedium ständig abgekühlt wird. Insbesondere bei kalter Witterung kann sich ein solcher zusätzlicher Wärmeeintrag besonders vorteilhaft auf eine reibungslose Gasentnahme aus dem Sorptionsspeicher auswirken.A Further optimization of this thermal management of a fluid reservoir is e.g. by a heat transferring Connection of the heating and / or cooling circuit with an exhaust pipe of such a thermal and / or mechanical Energy converter possible. As a result, the heat generated during the combustion of the gas waste heat also for heating the fluid reservoir are used, which by the desorption process is constantly cooled due to the gas extraction from the sorbent. Especially in cold weather, such an additional heat input particularly advantageous for a smooth gas removal from the Sorptionsspeicher impact.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Heiz- und/oder Kühlkreislauf auch einer Temperiervorrichtung zugeordnet sein, z.B. einer Klimaanlage eines KFZ oder einer stationären autonomen Anlage, wie oben dargelegt. Bei stationären Anwendungsfällen kann eine solche Temperiervorrichtung beispielsweise aber auch nur eine Heizung sein, z.B. dann, wenn keine Kühlvorrichtung vorgesehen ist.In another preferred embodiment can the heating and / or Cooling circuit be associated with a tempering device, e.g. an air conditioner a car or a stationary one autonomous plant as stated above. For stationary applications can Such a tempering, for example, but only one Heating, e.g. if no cooling device is provided.
Um insbesondere beim Startvorgang des durch den Speicher zu versorgenden Verbrauchers eine ausreichende Gasversorgung gewährleisten zu können, kann auch noch eine Heizung vorgesehen sein, die beispielsweise elektrisch betrieben und im und/oder am Tank angeordnet ist, vorzugsweise flächig oder auch im Volumen verteilt, um eine möglichst rasche und gleichmäßige Erwärmung des Tanks oder zumindest eine Teils davon zu bewirken.Around in particular during the starting process of the memory to be supplied by the memory Consumer to ensure a sufficient gas supply can also be provided a heater, for example, electrically operated and arranged in and / or on the tank, preferably flat or also distributed in volume to ensure the fastest possible and even heating of the tank or at least some of it.
Zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit wird die Anordnung eines Sicherheitsventils, z.B. in der Form eines Ablassventils vorgeschlagen. Hierdurch können auch Druckerhöhungen im Tank begrenzt werden, die z.B. im inaktiven Zustand eines den erfindungsgemäßen Fluidspeicher umfassenden Betriebssystems auftreten können, beispielsweise verursacht durch Sonneneinstrahlung.to further increase operational safety is the arrangement of a safety valve, e.g. proposed in the form of a drain valve. This can also be done pressure increases be limited in the tank, the e.g. in the inactive state of the fluid reservoir according to the invention Extensive operating system may occur, for example by sunlight.
Ein weiteres Sicherheitsmerkmal kann beispielsweise durch Vorsehen eines Absperrventils für den Tank bzw. für seine Zuleitung realisiert werden. Dieses kann z.B. ebenfalls bei Überhitzung des Tanks, beim Überschreiten eines bestimmten Druckwertes und/oder einem anderen ggf. nicht bestimmungsgemäßen Betriebszustand über eine entsprechende Schaltung zur Unterbrechung der Leitung zwischen dem Tank und einer Betankungsvorrichtung betätigt werden.Another security feature can be realized for example by providing a shut-off valve for the tank or for its supply line. This may, for example, also in case of overheating of the tank, when exceeding a certain pressure value and / or another may not determine mated operating state via a corresponding circuit for interrupting the line between the tank and a refueling device are operated.
Figurenbeschreibungfigure description
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen und deren darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert.following the present invention with reference to the drawings and their described description explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
Im
Detail zeigt nun die
Diese
Vorrichtung
Um
eine bedarfsvoreilende Steuerung der Temperatur und/oder der des
Drucks im Fluidspeicher
Im
Hinblick auf einen ggf. bevorstehenden Betankungsvorgang, aufgrund
eines ggf. niedrigen Speicherinhalts, kann die Regelung
Im
Weiteren umfasst die Kontrolleinheit
In
einem weiteren Wertespeicher
Zur
Aufnahme der beim Betanken frei werdenden Bindungsenergie in der
Form von Wärme
ist eine Wärmeaufnahme-
und/oder -abgabevorrichtung
Über den
Anschluss
Für eine weitere
Beeinflussung des Kühlmittelstroms
in der Kühlmittelleitung
Zur
Gasversorgung des Fluidspeichers ist hier wiederum beispielhaft
und schematisch ein Anschluss
Das
aus der Tankzuleitung
Es
sei hier angemerkt, dass diese Ausführungsform des Wärmetauschers
Der
durch den Fluidspeicher hindurchwandernde Gasstrom, zuerst zum Zwecke
der Aufnahme durch Sorption im Sorptionsmedium und später zur Desorption
hinsichtlich einer Abgabe durch die Tankableitung
Weiterhin
beispielhaft ist ein Sicherheitsventil
In
der
Durch
diesen Anschluss an die Wärmeaufnahme-
und/oder - Abgabevorrichtung, hier in der Form des Heiz- und/oder
Kühlkreislauf
des Energiewandlers
In
der
Die
Zuordnung einzelner Komponenten des Heiz- und/oder Kühlkreislaufs
Eine solche Ankopplung mit einer Klimaanlage ist besonders deshalb vorteilhaft, da diese eine zusätzliche, verhältnismäßig hohe Wärmespeicherkapazität aufweist, die ohnehin in einer entsprechend ausgerüsteten Anlage, z.B. einem Kraftfahrzeug, vorhanden ist und somit ohne großen zusätzlichen Aufwand effektiv genutzt werden kann.A Such coupling with an air conditioner is particularly advantageous because because this one extra, relatively high Has heat storage capacity, which are already installed in a suitably equipped facility, e.g. a motor vehicle, exists and thus effectively used without much additional effort can be.
Eine
Ausführungsform,
bei der eine Heizung
Die
Demnach
ist der Speicher zu Beginn der Aufzeichnung entsprechend der Position
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Aus der Vielzahl der dargestellten Ausführungsformen ist ersichtlich, dass die hier aufgezeigten Variationen kein abschließendes oder beschränktes Beispiel sind, sondern lediglich verschiedene mögliche Ausführungen für unterschiedliche Anwendungszwecke beispielhaft darstellen.Out the plurality of illustrated embodiments can be seen that the variations shown here are not exhaustive or limited Example, but only different possible designs for different applications exemplify.
Claims (14)
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